基于三维数字地图的5G高频混合信道模型

在近日举行的ITU-R WP5D#25会议上，中国提出的基于三维数字地图的混合信道模型，获得国际电信联盟ITU专家组认可，进入IMT-2020（5G）技术评估报告框架中，为5G标准的制定贡献重要力量。

根据ITU-R发布的IMT-2020（5G）工作计划，面向全球的IMT-2020（5G）技术评估将于2018年全面展开。在评估工作开展之前，ITU-R需要预先完成关键技术指标定义以及评估方法制定。在评估方法中，信道模型的选取至关重要，直接关系到未来新型5G空中接口技术能否通过评估，并被ITU-R所接受。

我们都知道，信道建模严重依赖于信道测量，在海量的测试数据里进行分析、归纳、建模。

我们在前面两篇文章里详细介绍了5G高频的室内室外丰富场景下的测试情况。良好的测试结果为我们对5G信道的建模打下了坚实的基础。

原理

围绕5G大容量、高密度、以及关键场景应用等需求，创新性地提出了一种基于数字地图的混合信道模型，利用数字地图技术建立三维信道电磁场环境，采用射线追踪（Ray Tracing）模型和统计模型混合使用的方法，与真实信道电磁场环境更加接近，并且自然满足高低频域一致性，有效支撑5G新型空中接口技术的评估和仿真。

传统系统仿真方法主要基于抽象的场景定义，并不关注场景中具体建筑物的数据信息。而在5G场景尤其是高频段、大带宽下，要求对传播信道在时间和空间维度进行更为精细化的建模。同时由于高频电磁波波长更短，路径损耗、穿透损耗、雨氧衰损耗等都远高于低频，大规模多天线、分布式天线、高增益窄波束赋型和跟踪等应用需求使得信道的空间-时间-频率一致性、球面波效应、站间信道相关性、雨氧衰特性等都成为了5G信道研究的重点方面。

高频电磁波波长更接近于光波波长，因此高频无线电传播需要同时考虑波动性和粒子性。5G高频混合信道模型充分利用了几何光学、几何绕射理论等确定性电磁传播和计算理论，通过对特定场景中的关键几何体进行三维建模并给定电磁特性参数，利用射线追踪技术首先识别出主要的传播路径，即信道中的主导分量。在此基础上，进一步利用统计模型对散射等随机影响因素部分进行补充，进而在保证较低复杂度的情况下获得了完整的信道响应信息。

结构

如图1所示，基于三维数字地图的混合信道模型包括确定性、统计两个模块。其中，确定性模型主要基于目标场景的3D模型，利用射线追踪（Ray Tracing）技术，对电磁传播中譬如直射、透射、反射、衍射等主要物理现象，进行确定性计算，得到了构成实际传播的主导分量（Dominant Ray）的确定性结果（如图2所示）。统计模型主要体现了环境中真实存在而未能在数字地图中建模的小物体、粗糙面，植被等对电磁散射的贡献。此外，信号传播中因为人流、车辆等引发的阻挡现象也通过相应的统计方式进行实现。

图1、混合模型架构图

图2、射线追踪结果示意图

如上文所述，该模型以电磁理论物理学为基础，以实际电磁传播环境为框架,能够准确的描述不同频段电磁波在的实际传播特征，适合多频段多带宽的配置下的信道研究。对于当前5G研究急需的信道空-时-频率一致性等特性自然满足，有很强的后向兼容性和前向拓展性。其实现过程与传统模型类似（共13步），具体可以参考3GPP TR38.900第八章。

效果

本文将以图3所示配置为例，列举该模型所得动态信道响应在时延域（如图4所示）和角度域（如图5所示）的分布。从图中可以观察到：

1、直射径、一次/两次反射径以及一次衍射径占主要能量，构成信道主导成分；
2、随着UE的移动（如图3中红色线段所示），主导分量的信道参数发生连续性变化，即体现了信道的空间/时间一致性，尤其是由于建筑物位置变化，阻挡等产生的路径生灭现象也得到准确体现。
3、统计部分对未能确定性建模的不规则小物体产生的随机散射以及粗糙表面造成漫反射路径进行有效补充，产生了信道分量的簇状分布。

因此，通过确定性与统计结合的混合信道模型能够反映真实环境下的电磁传播特性。

图3、动态信道仿真示意图

图4、信道时延功率谱

图5、信道角度功率谱

作为无线电频谱资源的全球协调机构，国际电信联盟无线部门ITU-R致力于为各种无线技术落地提供规则保障，从而促进相应无线技术健康有序发展。作为5G技术标准的仲裁者、5G频谱划分及使用规则的制定者，ITU-R发挥着它在IMT产业中独特的引领角色。

近日的ITU-R WP5D#25会议共收到来自11个国家、公司及学术机构的多篇信道模型提案，经过多轮会议讨论，基于地图的混合信道模型作为一种新的模型，获得ITU-R专家组认可，进入IMT-2020（5G）技术评估报告框架中。而在此前的3GPP RAN1会议上，混合信道模型也被3GPP标准采纳，已写入TR38.900研究报告。基于地图的混合信道模型被ITU-R的采纳，也标志着国际电信联盟对中国5G技术研究能力的认可。

值得一提的是，虽然信道模型需要大量的人力投入，并且要求昂贵的测试仪器设备相配合，但信道模型研究通常并不以IPR为目的，更多的是平台性、贡献性的工作。由此可见，中国厂商在参加各类标准工作多年之后，随着研发能力的增强，有能力、有意愿与业界同仁一起，为下一代移动标准的制定做出更多的贡献。这无疑是一件可喜可贺的事情。